on transport and deposition of aerosol particles in the human

PRACE WYDZIAŁU INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ
POLITECHNIKI WARSZAWS KIEJ
T. XXXIV, z. 1
2010
ON TRANSPORT AND DEPOSITION
OF AEROSOL PARTICLES
IN THE HUMAN BREATHING SYSTEM
– SELECTED PROBLEMS
Arkadiusz Moskal
Chair of Engineering of the Integrated Processes
Manuscript received 15.02.2010
Transport and deposition of aerosol particles in the human breathing system is one of the most
important processes, which may affect human health from hazardous and therapeutic point of view.
A description of the process is extremely difficult due to its multi-parametrical character. The strict
medical knowledge about anatomy, physiology and pathophysiology of breathing as well as the
engineering knowledge about the fluid flow and aerosol mechanics are needed for comprehensive
understanding of the process. Due to the lack of the precise data obtained from in vivo measurements
performed on living patients, the in vitro and in silica modeling become an interesting alternative
as a source of the information. The aim of this work is a critical analysis of existing techniques and
approaches for modeling and an attempt to eliminate their major limitations. The additional goal is
to examine the airflow aspects of the process neglected in a main stream of publications which are:
unsteadiness of the airflow through breathing cycle, influence of the health conditions on the airflow
and aerosol deposition, and influence of the aerosol aggregates geometry on their deposition in the
breathing system. For this purpose, first the brief description of the breathing system is provided
and the main geometrical models of the system are reviewed. Information about physiology and
pathophysiology of the breathing system are presented for better understanding of the background
of the process. In the next step, the fundamental approach to modeling of the airflow mechanics is
presented, with special focus on the turbulence models. The results of the in silica simulation of
the flow in selected sub-elements of the breathing system are presented and discussed. Then, the
background of aerosol dynamics is reviewed. Existing models of aerosol aggregates dynamics are
discussed. New model, based on the rigid body mechanics approach, was evolved by the author.
Finally, the results of the in silica and in vitro modeling of the process of aerosol transport and
deposition in selected sub-elements of the human breathing system proving the author`s theses are
presented and discussed.
Streszczenie
213
53. Shi, H., Kleinstreuer, C., Kim, C.S. Nanoparticle transport and deposition in bifurcating tubes
with different inlet conditions. 2004, Phys. Fluids., Vol. 16, pp. 199–213.
54. Oldham, M.J., Phalen, R.F., Heistracher, T. Computational fluid dynamic predictions and
experimental results for particle deposition in an airway model. 2000, Aerosol Sci. Technol.,
Vol. 32, pp. 61–71.
55. Moskal, A. Estimation of aerosol deposition in the model of human alveolus. Saloniki: s.n.,
2008. European Aerosol Conference.
56. Dailey, H.L., Ghadiali, S.N. Fluid-structure analysis of microparticle transport in deformable
pulmunary alveoli. 2007, Journal of Aerosol Science, Vol. 38, pp. 269–288.
*
*
*
This work was supported under Ministry of Science grant: “Transport i depozycja
cząstek aerozolowych w górnych drogach oddechowych człowieka”, for years
2008–2010 number:N N208 099435.
TRANSPORT I DEPOZYCJA CZĄSTEK AEROZOLOWYCH
W UKŁADZIE ODDECHOWYM CZŁOWIEKA
– WYBRANE ASPEKTY
Streszczenie
Transport i depozycja cząstek aerozolowych w układzie oddechowym człowieka są jednymi z ważniejszych zagadnień, mogącymi wpłynąć na stan zdrowia zarówno z punktu widzenia zagrożeń toksykologicznych, jak i możliwości terapeutycznych opisywanych procesów. Opis procesu jest niezmiernie
trudny ze względu na jego wieloparametryczny charakter. Wiedza medyczna, obejmująca anatomię,
fizjologię i patofizjologię oddychania, na równi z wiedzą z zakresu mechaniki płynów i mechaniki układów rozproszonych jest potrzebna do pełnego zrozumienia procesu. Ze względu na brak szczegółowych
danych otrzymanych z badań przeprowadzonych na żywych pacjentach (in vivo), badania in vitro i in
silica stają się obiecującymi równoważnymi źródłami informacji o procesie. Celem pracy jest krytyczna
analiza istniejących technik i podejść do modelowania procesu. Dodatkowym celem pracy jest uwypuklenie pewnych aspektów procesowych dotyczących transportu i depozycji cząstek aerozolowych
w drogach oddechowych człowieka, pomijanych w głównym nurcie publikacji naukowych na ten temat,
tj.: zmienności przepływu powietrza podczas cyklu oddechowego, wpływu stanu zdrowia na przepływ
aerozolu oraz wpływu geometrii agregatów aerozolowych na ich transport i depozycję w układzie oddechowym. W tym celu w pierwszych rozdziałach pracy przedstawiono krótki zbiorczy opis anatomii
układu oddechowego wraz z opisem fizjologii i patofizjologii oddychania. W następnych rozdziałach
omówiono podstawy teoretyczne modelowania przepływu powietrza w drogach oddechowych, ze szczególnym uwzględnieniem modeli burzliwości. Przedstawiono i przedyskutowano wyniki modelowania
in silica przepływu w wybranych elementach układu oddechowego. Następnie zebrano i zaprezentowano podstawy mechaniki aerozoli. Przedstawiono przegląd istniejących modeli agregatów aerozolowych
i zaprezentowano nowy model bazujący na mechanice bryły sztywnej, wyprowadzony przez autora rozprawy. W rozdziale ostatnim zebrano i przedstawiono wyniki modelowania in silica i in vitro procesu
transportu i depozycji cząstek aerozolowych w układzie oddechowym człowieka.
Słowa kluczowe: depozycja, aerozole, transport w płucach